Diopser – system do analizy chodu oparty na wideogrametrii -g

Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
Diopser – system do analizy chodu oparty na wideogrametrii
Diopser – system for gait analysis based on videogrammetry
Piotr K. Olszewski*, Robert Gajewski, Ireneusz J. Tarnawski, Przemysław Pleciak
Instytut Przemysłu Skórzanego, Oddział w Krakowie, ul. Zakopiańska 9, 30-418 Kraków, *e-mail: [email protected]
Streszczenie
Badania biomechaniki chodu są cennym narzędziem przy projektowaniu i testowaniu obuwia oraz zaopatrzenia
ortopedycznego. Zbudowany w IPS Oddział Kraków system do analizy chodu pozwala na wideogrametryczne
określenie ruchu kończyn i ciała człowieka w trójwymiarowej przestrzeni. W skład systemu wchodzi bieżnia, układ
dwóch kamer w ustalonej odległości, zestaw pasywnych markerów oraz laptop z opracowanym w Instytucie
programem Diopser. Program pozwala na wyznaczanie parametrów geometrycznych pomiędzy zdefiniowanymi
przez użytkownika punktami. Możliwe jest śledzenie do 20 markerów umieszczonych na osobie lub przedmiocie
oraz obliczanie długości i kątów dowolnych układów geometrycznych. Danymi wejściowymi jest zestaw dwóch
zsynchronizowanych czasowo nagrań, rezultatem działania programu jest plik arkusza kalkulacyjnego zawierający
wybrane miary. Istotnymi czynnikami wpływającymi na poprawność wyznaczenia położeń markerów są
rozdzielczość i prędkość nagrania, barwa markerów oraz oświetlenie obiektu. Artykuł prezentuje możliwości
systemu Diopser, sposób przeprowadzania pomiarów, interpretację wyników uzyskanych dla testowych nagrań
oraz wskazuje obszary potencjalnych zastosowań.
Summary
The study of biomechanics of gait is a valuable tool for designing and testing of footwear and orthopedic devices.
Built in IPS Krakow Branch system for gait analysis allows to determine via videogrammetry the movements of the
limbs and the human body in three-dimensional space. The system includes treadmill, a set of two cameras at a
predetermined distance, a set of passive markers and a laptop with Diopser program developed in the Institute. The
program allows the determination of geometrical parameters between user-defined points. It is possible to track up
to 20 markers placed on a person or object and calculate the length and angles of any geometries. The input is a set
of two time-synchronized recordings, the output of the program is a spreadsheet file containing the selected
measurements. Important factors that affect the correct designation of markers’ positions are resolution and
recording, markers’ color and object’s illumination. The paper presents the capabilities of Diopser system, the way
the measurements are made, interpretation of results obtained for test recordings and identifies areas of potential
applications of the system.
Słowa kluczowe: biomechanika, analiza chodu, wideogrametria.
Key words: biomechanics, gait analysis, videogrammetry.
1. Wstęp
Badania biomechaniki chodu pozwalają na poznanie
kinematyki narządów ruchu i generalnie całego ciała.
Dotyczy to zarówno biomechaniki zdrowych osób jak
i też cierpiących na różnego rodzaju patologie. Wynika
to z faktu, że system umożliwia badania wzajemnej
orientacji względem siebie kończyn a dane o tym jak
wygląda „prawidłowa” biomechanika są znane [1].
Określone są takie parametry jak czas trwania
poszczególnych faz chodu, zakres ruchomości
poszczególnych stawów. Stwierdzenie odstępstw
pozwala lepiej poznać konsekwencje danego
schorzenia. Przykładem takim jest praca Astephen
i innych [2], którzy badali zmiany w lokomocji
wynikające z postępu choroby zwyrodnieniowej
stawów. Przedstawione wnioski nie tylko służą
określeniu wpływu choroby na lokomocję, ale również
pozwalają wykorzystać stanowiska do badania
biomechaniki chodu jako narzędzia diagnostycznego
w ocenie stopnia zawansowania danego schorzenia.
System może też pomagać w monitorowaniu procesu
leczenia schorzeń narządu ruchu. Nie ma tutaj
ograniczeń, czy jest to terapia oparta na rehabilitacji czy
zabiegach chirurgicznych, co też w okresie
rekonwalescencji wymaga stosowania procedur
rehabilitacyjnych. Badania biomechaniczne mogą być
tutaj szczególnie przydatne w celu zweryfikowania
efektów rehabilitacji i ogólnie mówiąc zastosowanych
zabiegów ułatwiających leczenie, a jednocześnie,
w bardziej ogólnym ujęciu możliwe jestobiektywne
37
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
porównanie
wyników
różnych
metod
rehabilitacji/zabiegów chirurgicznych w celu wyboru
najbardziej optymalnej. Przykładem tego jest praca
Petersena i innych [3], którzy analizowali efekty
kliniczne zastosowania dwóch metod leczenia
degeneracji stawu biodrowego: całkowitej endoprotezy
oraz mniej inwazyjnej kapoplastyki. W tym przypadku
stwierdzono, że efekty zastosowania obydwu metod,
pomimo że jedna jest bardziej „drastyczna” były
podobne, co oznacza, iż stosowanie „oszczędniejszych”
i bardziej przyjaznych dla pacjentów metod jest w pełni
uzasadnione.
Odnośnie
badań
efektywności
wkładek
ortopedycznych, prace badawcze z użyciem systemu
3D pozwalają zweryfikować w sposób obiektywny
wpływ wkładek/elementów na sposób lokomocji, a tym
samym określić zasadność ich stosowania. Niemniej
istotną zaletą jest możliwość określenia optymalnej
wielkości
i
parametrów
różnych
elementów
stosowanych w produkcji wkładek, tak, aby osiągnąć
pożądany efekt bez ryzyka przekorygowania.
Przykładem takich elementów, w stosunku do których
stosowania istnieją kontrowersje są elementy
supinujące. Stosuje się je zazwyczaj w przypadku
nadmiernej pronacji/koślawienia pięty. Sprawą
dyskusyjną jest sposób projektowania tych elementów
a szczególnie dostosowanie kształtu elementów
(długości i wysokości) tak, aby uzyskać zamierzony
efekt. Nie bez znaczenia jest fakt, że proces
„przymierzania” elementów supinujących jest z reguły
wykonywany w warunkach statycznych, co nie
odzwierciedla cyklicznych zmian w ustawieniu pięty
obserwowanych w warunkach dynamicznych [4].
Przykładem
badań,
w
których
analizowano
efektywność wkładek ortopedycznych, było badanie
wpływu na kąt ustawienia pięty elementów
supinujących różniących się wysokością opisanych
w pracy [5]. W wyniku prowadzonych eksperymentów,
w trakcie których pacjenci mieli aplikowane elementy
supinujące o różnej wysokości, uzyskano wiedzę, że
jakkolwiek istnieje korelacja pomiędzy parametrami
elementów a efektem w postaci ustawienia piety, to nie
ma prostej matematycznej zależności pomiędzy
wysokością elementów supinujących a ich wpływem na
kąt ustawienia pięty. Konieczne jest uwzględnienie
również wpływu obuwia (twardość w rejonie pięty,
dopasowanie cholewki w pięcie) oraz indywidualnymi
cechami pacjenta (sprawność aparatu mięśniowego).
Różne metody analizy biomechaniki są już od dawna
stosowane w sporcie, gdzie dawno dostrzeżono, że przy
tym samym nakładzie energii można osiągnąć różne
efekty zmieniając np. kąt wybicia (skoczkowie
narciarscy, lekkoatleci), ułożenie kończyn górnych przy
rzutach oszczepem czy też młotem. Przykładem takich
prac jest publikacja Sibella i innych, którzy analizowali
efektywność różnych strategii stosowanych przez
wspinaczy skałkowych [6].
Badania biomechaniki 3D mogą też być stosowane
również przy projektowaniu urządzeń powszechnego
użytku. Takie wyroby jak plecak, urządzenia sportowe,
mogą być sprawdzane pod kątem ich ergonomii.
Systemy te są obecnie często stosowane przy ocenie
wpływu obuwia na lokomocję. Pomijając badania
obuwia ortopedycznego i sportowego, szczególnie
interesujące są badania wpływu wysokich obcasów na
posturę i tym samym komfort i zdrowie użytkowników
[7].
Przy takim podejściu, system ten nie tylko może
poprawiać komfort użytkowy, ale może też służyć
zwiększeniu bezpieczeństwa. Analiza biomechaniki
chodu osób w różnych typach obuwia może pomóc
zidentyfikować modele obuwia zapewniającego
optymalną ochronę przed upadkiem oraz poślizgiem, co
ma szczególnie istotne znaczenie w przypadku osób
starszych i mających upośledzony zmysł równowagi.
Ogólnie rzecz biorąc, stanowisko do badania
biomechaniki w 3D daje ogromne możliwości
poznawcze i badawcze. Od zastosowań stricte
naukowych, aż po praktyczne zastosowanie w życiu
powszechnym.
W badaniach biomechanicznych zamiast analizy obrazu
całego badanego obiektu stosuje się najczęściej analizę
położenia wybranych punktów (markerów) na jego
powierzchni. Wyszukiwanie położeń markerów
w trójwymiarowej przestrzeni odbywa się na podstawie
analizy zestawu co najmniej dwóch nagrań wideo,
zawierających widoki na fragment przestrzeni
z różnych punktów widzenia, analogicznie do sposobu
działania ludzkiego wzroku.
W badaniach biomechaniki są stosowane systemy
o różnym stopniu zaawansowania. Najprostsze
rozwiązania składają się z układu dwóch kamer
rejestrujących
obraz
oraz
oprogramowania
z dwupłaszczyznową analizą zmian odległości
i wysokości (np. Noraxon MyoVideo). Najbardziej
skomplikowane systemy składają się 6-12 szybkich
kamer sprzężonych z platformą odczytującą naciski na
podeszwowej stronie stopy (np. OptiTrack, Novell) lub
z ruchomą bieżnią wyposażoną w czujniki nacisku.
Koszt systemów dostępnych na rynku waha się od
30.000 zł do 3.000.000 zł. Na rynku są również
dostępne systemy analizujące całą postać, np. Simi
Shape 3D (Simi Reality Motion Systems GmbH).
Oddzielną kategorią są systemy z markerami
transmitującymi bezpośrednio dane o swym położeniu
(np. Motus). Profesjonalne oprogramowanie np.
Visual3D (C-Motion) jest dostępne w cenie 11.000
USD (roczna licencja).
W Zakładzie Zaawansowanych Technologii IPS
Oddział w Krakowie w ciągu ostatnich dwóch lat
prowadzone były prace nad budową własnego systemu
38
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
do analizy chodu. Założeniem podjętych działań było
stworzenie
taniej
alternatywy
dla
systemów
komercyjnych, która pozwoliłaby na wykonywanie
badań z zakresu tematyki leżącej w sferze
zainteresowań projektantów obuwia, podologów
i ortopedów. Niniejsza publikacja prezentuje
możliwości stworzonego systemu Diopser, sposób
przeprowadzania pomiarów, interpretację wyników
uzyskanych dla testowych nagrań oraz wskazuje
obszary potencjalnych zastosowań.
2. Część doświadczalna – budowa i działanie
systemu analizy chodu
2.1. Laboratorium biomechaniki
Laboratorium
biomechaniki
znajduje
się
w zaadaptowanym pomieszczeniu o wymiarach 11 x 4
metry a głównymi elementami systemu są (Rysunek 1):
bieżnia o długości 7,5 m i szerokości 1,25 m
(z możliwością przedłużenia do 11 m):
−
−
−
−
−
układ kamer (L i P) na statywach
parawan dający jednolite czarne tło
oświetlenie górne i boczne o całkowitej mocy
2.100 W i strumieniu 55.000 lm
zestaw kolorowych pasywnych markerów
laptop z oprogramowaniem
Rysunek 1. Stanowisko do badań biomechaniki chodu.
Tabela 1. Długość dostępnego obszaru pomiarowego na bieżni w zależności od odległości między kamerami
i ich odległości od bieżni.
Odległość między kamerami L [cm]
150
283
Odległość od osi bieżni d [cm]
200
225
290
Zastosowane kamery to w istocie aparaty DSC-WX350
firmy Sony pozwalające na nagrywanie filmów o
jakości HD z rozdzielczością 1440 x 1080 px przy
prędkości 25 kl/s. Statywy są połączone teleskopowo ze
240
300
360
260
350
420
sobą, co zapewnia kontrolowaną odległość L pomiędzy
kamerami. Kamery są zamontowane w specjalnie
zaprojektowanych gniazdach umożliwiających łatwy
montaż i demontaż, przy czym ustawienia osi kamer
39
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
względem siebie są predefiniowane poprzez ustalony
kąt α (por. Rysunek. 3). Obszar obejmowany przez
dwie kamery zależy od odległości między nimi
i odległości d od toru, po którym porusza się badany
obiekt (osi bieżni) i wynosi od 2,25 do 4,20 metra.
W systemie Diopser stosowane są markery pasywne
w postaci różnokolorowych styropianowych kulek,
które, za pomocą samoprzylepnej taśmy, są w łatwy
sposób przymocowywane do powierzchni ciała lub
butów/odzieży. Ilość i rozmieszczenie markerów jest
zależne od rodzaju i celu eksperymentu.
Kluczowym
elementem
oprogramowania
jest
przygotowany specjalnie dla potrzeb laboratorium
program Diopser; jest on opisany w dalszej części
artykułu.
2.2. Akwizycja i obróbka danych
Pomiary biomechaniczne wymagają wykonania działań
zgodnie ze schematem postępowania obejmującym
następujące kroki (Rysunek 2):
A. Kalibracja systemu kamer w programie Diopser
na podstawie nagrań z wzorcem kalibracyjnym
B. Pomiar
właściwy
obejmujący
montaż
markerów i wykonanie nagrań
C. Analiza położeń markerów w programie
Diopser
D. Dalsza analiza wyników
Kalibracja systemu ma na celu powiązanie parametrów
świata 2D widzianego obiektywem kamer ze światem
realnym 3D oraz uwolnienie się od zniekształceń
wprowadzanych przez układ optyczny kamer
(radialnych wynikających z kształtu soczewki
i stycznych wynikających z krzywego jej montażu
w kamerze). Do kalibracji systemu stosuje się wzorzec
w postaci szachownicy o zadanej ilości kolumn
i rzędów (standardowo 10 i 7) i długości krawędzi pola
szachownicy (standardowo 5,00 cm). Kalibrację
wykonuje się jednokrotnie dla danego ustawienia kamer
względem siebie (L, α) poddając analizie
kilkuminutowe nagrania z dwu kamer zawierające
obraz szachownicy w różnych pozycjach pola widzenia
obu kamer. Należy pamiętać, że najdrobniejsza zmiana
ustawienia kamer względem siebie wymusza
przeprowadzenie ponownej kalibracji. Nagrania
kalibracyjne są przetwarzane w programie Diopser.
Przed wykonaniem właściwego pomiaru należy zadbać
o to, by w polu widzenia kamer nie znajdowały się
zbędne przedmioty niebędące celem obserwacji —
barwne refleksy światła na ich powierzchniach mogą
spowodować
pomyłkę
podczas
wyszukiwania
markerów. Tło obserwacji i ubranie osoby
obserwowanej powinny być jednorodne, niekolorowe
(np. szare, czarne).
Do badanego obiektu przymocowuje się wymaganą
liczbę markerów w odpowiednio dobranych punktach.
Korzystne jest użycie markerów o intensywnych
barwach. Istotne dla jakości nagrania jest oświetlenie,
które powinno być intensywne ale rozproszone.
Podczas nagrania należy zadbać, by obiekt nie
opuszczał pola widzenia żadnej z kamer. Należy unikać
zasłaniania markerów podczas ruchu.
Nagrania prowadzi się jednocześnie przy użyciu obu
kamer (L i P). Materiał filmowy do analizy obrazu
(w
formacie
np.
MPEG4)
musi
zostać
zsynchronizowany w czasie. Używa się do tego celu
dowolnego programu do obróbki wideo.
Obraz obiektu uzyskany w nagraniach jest analizowany
w programie Diopser. Markery widziane przez kamery
L i P są identyfikowane przez użytkownika i łączone
w pary. Następnie definiowane są wybrane miary:
odległości pomiędzy dowolnymi markerami oraz
dowolne kąty pomiędzy nimi. Dalsza analiza obrazu
odbywa się automatycznie zaś jej wynikiem jest plik
z zapisanymi współrzędnymi rzeczywistymi każdego
z markerów oraz zdefiniowane odległości i kąty,
według potrzeb użytkownika. Plik jest zapisany
w formacie CSV, użytkownik może go otworzyć
w dowolnym arkuszu kalkulacyjnym i za jego pomocą
sporządzać interesujące go statystyki i wykresy.
2.3. Program Diopser
Program Diopser bazuje na wideogrametrii i służy do
wyznaczania parametrów geometrycznych pomiędzy
zdefiniowanymi przez użytkownika punktami na
podstawie zestawu nagrań z dwóch kamer
obserwujących przestrzeń pod różnymi kątami
(Rysunek 3). Pozwala na śledzenie markerów
umieszczonych na osobie lub przedmiocie i obliczanie
długości i kątów dowolnych układów geometrycznych.
Danymi wejściowymi jest zestaw dwóch nagrań
złożonych w układ stereowizyjny, rezultatem działania
programu jest plik arkusza kalkulacyjnego zawierający
wybrane miary.
40
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
Rysunek 2. Schemat blokowy systemu do analizy chodu.
Kolorem żółtym zaznaczono etapy wykonywane w programie Diopser.
41
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
Rysunek 3. Schemat układu stereowizyjnego. Kamery wyznaczają i leżą na osi x, oś y oznacza wysokość, oś
z głębię.
Budowa programu
Oprogramowanie zostało napisane w języku
programowania C++14 pozwalającym na tworzenie
aplikacji o swobodnej architekturze z zachowaniem
najwyższej wydajności, co ma szczególne znaczenie
w programach przetwarzających obrazy cyfrowe.
Przetwarzanie obrazów powierzono bibliotece OpenCV
(Open source Computer Vision, [8]). Interfejs graficzny
aplikacji zbudowano w oparciu o środowisko Qt [9].
Program podzielono na dwie zasadnicze części.
Pierwszą z nich stanowi interfejs graficzny, za pomocą
którego odbywa się interakcja pomiędzy programem
a użytkownikiem poprzez wskazywanie plików
wejściowych i wyjściowych oraz określanie celu
prowadzonej analizy; program prezentuje dane
wyjściowe oraz komunikaty informacyjne czy
ostrzegawcze. Drugim elementem jest moduł
zarządzający wskazanymi zasobami i prowadzący
przetwarzanie obrazów. Obie części są odseparowane
od siebie i połączone mostem pośredniczym
w przesyłaniu komunikatów pomiędzy nimi. Dzięki
temu osiągnięto modularność kodu, co pozwala na
łatwą konserwację, modernizację i wymianę elementów
na inne (np. interfejs graficzny wykonany w innym
środowisku, inne rodzaje wykrywacza markerów, itp.).
Działanie programu
Do podstawowych funkcji programu należą:
− Kalibracja układu optycznego
− Identyfikacja markerów na kolejnych klatkach
− Wyznaczanie rzeczywistych położeń markerów
− Obliczanie zdefiniowanych miar
Kalibracja układu polega na analizie nagrań
zawierających obraz wzorca kalibracyjnego w postaci
standardowej szachownicy o parametrach podanych
przez użytkownika. Miejsca połączeń sąsiednich pól
szachownicy ustawionej w różnych pozycjach
i położeniach są doświadczalnymi informacjami
o świecie obserwowanym, które program wykorzystuje
do stworzenia macierzy parametrów kamer (ogniskowa,
punkt główny), zniekształceń optycznych oraz całego
układu
stereowizyjnego
(macierze
translacji
T pomiędzy kamerami, rotacji R kamer wobec centrum
pola obserwacji, perspektywy Q, fundamentalna
F, zasadnicza E). W rezultacie otrzymuje się dokładne
przekształcenie pomiędzy danymi obserwowanymi
a oczekiwanymi, aby później, na podstawie obserwacji.
wiarygodnie rekonstruować dane rzeczywiste. Poza
wygenerowanym plikiem kalibracyjnym użytkownik
otrzymuje analizę błędów reprojekcji sporządzonych
modeli parametry dokładności (L/P/3D) oraz graficzną
reprezentację błędów reprojekcji i pokrycia wzorcem
kalibracyjnym obszaru kadru.
Śledzenie
położeń
markerów
odbywa
się
z wykorzystaniem metod przetwarzania obrazów
cyfrowych. Każdy marker jest zapisany jako model
kolorystyczny i kinematyczny. Model kolorystyczny
jest sporządzony jako znormalizowany dwuwymiarowy
histogram
kolorów
obrazu
markera.
Barwy
przedstawiono
w przestrzeni
CIELab,
gdzie
składowymi są: L — jasność, a — kolor od zielonego
do magenty, b — kolor od niebieskiego do żółtego.
Ignorując składową jasności uzyskano wysoką
odporność na zmiany warunków oświetlenia Obraz
markera
jest
zaznaczany
prostokątnie
przez
użytkownika, po czym poddawany segmentacji za
pomocą metody GrabCut, aby wyodrębnić jedynie
właściwy obszar (Rysunek 4). Model kinematyczny jest
zapisem
aktualnych
wektorów
prędkości
42
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
i przyspieszenia. Obydwa modele są stale
aktualizowane na podstawie nowych rezultatów funkcji
śledzącej.
(widok z lewej i prawej strony) oraz macierze kalibracji
są podstawą do triangulacji i przeliczenia jednostek,
w celu uzyskania współrzędnych rzeczywistych.
Rysunek 5. Marker pomarańczowy całkowicie
wyróżniony przez segmentację metodą GrabCut,
poprawny punkt centralny zaznaczony zielonym
znacznikiem; mała fioletowa elipsa i znacznik
w dolnej części markera jest rezultatem metody
CAMShift, widoczna znaczna rozbieżność między
skutecznością obu metod.
Po znalezieniu pozycji wszystkich markerów następuje
połączenie ich w pożądane konfiguracje geometryczne
(odcinki, kąty) i wyznaczenie miar. Miarą odcinka jest
zwykła różnica położeń wierzchołków, miarę kąta
wyznacza się według wzoru:
Rysunek 4. Zaznaczenie pomarańczowego markera
i wizualizacja histogramu koloru. Jasność
odpowiada wysokości słupka.
Śledzenie pozycji markera (każdego z osobna)
rozpoczyna się od znalezienia obszaru poszukiwań —
analizowany jest jedynie fragment całej klatki, co
znacząco przyspiesza działanie programu, a także
redukuje szansę pomyłki podczas śledzenia kilku
podobnie wyglądających markerów. Jako obszar
poszukiwań przyjmuje się okno, zawierające okolicę
poprzednio znalezionej pozycji markera, a także
pozycji, którą wydedukowano na podstawie
parametrów ruchu markera. Estymację aktualnej
pozycji powierzono filtrowi Kalmana. Dla tak
wyznaczonego okna wykonuje się projekcję wsteczną
modelu koloru Uzyskany obraz podobieństwa podaje
się algorytmowi CAMShift, który odnajduje środek
ciężkości najbardziej podobnego i najbliższego
przewidywanej pozycji markera obszaru obrazu
(Rysunek 5). Po znalezieniu centrum markera, obraz
markera zostaje zaznaczany elipsą bądź wskazaną przez
CAMShift (metoda szybsza) lub uzyskaną metodą
segmentacji GrabCut (metoda dokładniejsza). Po
korekcie środka ciężkości markera następuje
aktualizacja histogramu oraz aktualizacja parametrów
kinematycznych. Pozycje markera na dwóch obrazach
 A o B  180
⋅
 π [deg ]
A
B


α = arccos 
gdzie α to poszukiwany kąt, A i B to wektory
utworzone przez odpowiednie markery.
Pozycje markerów trafiają do pamięci, gdzie
przechowywana
jest
historia
wszystkich
dotychczasowych położeń. Umożliwia to zrzut tych
wartości do pliku, przyspiesza działanie programu po
powrocie pozycji odtwarzania na początek pliku, który
nie musi obliczać wszystkiego na nowo, a także
pozwala na poprawianie pozycji markerów w razie ich
zagubienia.
2.4. Pomiary testowe
Działanie opracowanego w IPS systemu Diopser
zostało sprawdzone w serii pomiarów testowych
zarówno na bieżni stacjonarnej jak i na bieżni
ruchomej. Testowano różne warunki oświetleniowe
różną geometrię pomiarów. Testy wykonywano
z markerami umieszczanymi na kończynie dolnej
mocując od 3 do 6 markerów. Pomiary wykonywano
dla serii ćwiczeń oraz chodu z różna prędkością.
Sprawdzano również liczbą zgubionych markerów oraz
sprawność algorytmu w odzyskiwaniu zgubionych
markerów.
Przykładowy
zapis
z
pomiarów
biomechanicznych przedstawiono na Rysunku 6.
43
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
Rysunek 6. Interfejs graficzny programu Diopser. Widoczne są wyznaczone odległości pomiędzy markerami
(obraz po lewej stronie) oraz wartości kątów pomiędzy markerami (obraz po prawej stronie).
Rysunek 7. Rzeczywiste położenia XYZ [mm] trzech markerów umieszczonych na kostce, kolanie i udzie
podczas wykonywania ćwiczeń. Na osi poziomej czas [s].
44
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
Rysunek 8. Odległości i kąty pomiędzy trzema markerami umieszczonymi na kostce, kolanie i udzie
śledzonymi podczas wykonywania ćwiczeń. Skala pionowa w mm i stopniach, na osi poziomej numer klatki.
3. Wnioski/dyskusja wyników
W efekcie prowadzonych prac zbudowany został
system umożliwiający analizę położenia do 20
markerów na nagraniach uzyskanych z dwóch kamer.
W warunkach dobrego oświetlenia i ruchu obiektu
z prędkością poniżej 2 m/s, nagrania uzyskane przy
użyciu stosunkowo prostych kamer mają jakość
wystarczającą
do
poprawnego
rozpoznawania
i śledzenia markerów (Rysunki 7 i 8).
Dokładność wyznaczenia położenia markerów (X,Y,Z)
wynosi w typowym pomiarze 5 mm. Precyzja
wyznaczenia położenia markerów 1 mm (dla odległości
2 mm i dla kątów 0,2o). Główne czynniki wpływające
na jakość analizy to:
− Rozdzielczość i prędkość nagrywania filmu
− Jasność obiektywu
− Oświetlenie obiektu
− Prędkość poruszania się markerów
Zbudowany w Instytucie Przemysłu Skórzanego
O/Kraków system Diopser jest tanią alternatywą dla
komercyjnych rozwiązań dla badań biomechaniki
chodu. Przeprowadzone testy potwierdziły poprawność
działania
algorytmów
zaimplementowanych
w dedykowanym oprogramowaniu oraz ogólną
sprawność systemu. Diopser ma charakter rozwojowy
i może być modyfikowany i rozbudowywany.
Zwiększenie możliwości systemu będzie wymagało
użycia większej liczby kamer. Umożliwi to obserwację
obiektu ze wszystkich stron. Na polepszenie
funkcjonalności systemu wpłynie automatyzacja
transferu danych z aparatów/kamer do laptopa oraz
użycie kamer o większej szybkości.
Laboratorium oraz wykonany w Instytucie system do
analizy obrazu pozwoli na wykonywanie różnego
rodzaju prac badawczych, m.in.:
− Badania biomechaniki chodu
− Badania poślizgu i upadków
4. Podsumowanie
45
Technologia i Jakość Wyrobów 61, 2016
−
−
−
−
−
−
Badania
wpływu
wkładek,
obuwia
ortopedycznego
i
ogólnie
wyrobów
ortopedycznych na postawę
Ocena procesu rehabilitacji u pacjentów
Optymalizacja i monitorowanie postępów
treningu sportowego
Diagnostyka dynamicznej oceny postawy ciała
(przy
użyciu
również
antropometru
wykonanego w IPS O/Kraków)
Ocena lokomocji osób z zaburzeniami
neurologicznymi
Ocena ergonomii różnych produktów (obuwia,
mebli, itp.)
Human Walking Significantly. Journal of Applied
Biomechanics. 2012, 28(1), 20-28.
8. OpenCV Developer Site, http://code.opencv.org.
9. Qt Development Frameworks, http://qt.nokia.com.
Ponadto, oprócz zastosowań naukowych stosowanie
systemu może przynieść wymierne efekty w formie
„lepszych”, bardziej przystosowanych do potrzeb
użytkowników wyrobów, zwłaszcza dla osób
cierpiących na schorzenia aparatu ruchu.
Katalog możliwych badań jest bardzo szeroki i zależny
jedynie od zainteresowań osób i zespołów
zainteresowanych tymi zagadnieniami.
5. Literatura
1. A. Winter: Biomechanics and Motor Control of
Human Movement. Fourth Edition, John Wiley &
Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, 2009.
2. J.L. Astephen, K.J. Deluzio, G.E. Caldwell, M.J.
Dunbar: Biomechanical changes at the hip, knee,
and ankle joints during gait are associated with
knee osteoarthritis severity. Journal of Orthopaedic
Research. 2008, 26(3), 332-341.
3. M.K. Petersen, N.T. Andersen, P. Mogensen, M.
Voight, K. Soballe: Gait analysis after total hip
replacement with hip resurfacing implant or
Mallory-head Exeter prosthesis: a randomised
controlled trial. International Orthopedic. 2011,
35(5).
4. D. Tiberio: The effect of excessive subtalar joint
pronation on patellofemoral Mechanics: a
theoretical Model. The Journal of Orthopedic and
Sports Physical Therapy. 9(4), 160-165.
5. R. Gajewski, P. Olszewski I. Tarnawski: Effect of
supination inserts on the heel angle during gait.
Congress Lecture [5023] Abstract [1444],
OTWorld 2014 International Congress, Lipsk,
Niemcy,13-16 maja 2014.
6. F. Sibella, L. Frosio, F. Schena, N.A. Borghese:
3D analysis of the body center of mass in rock
climbing. Human Movement Science. 2007, 26,
841-852.
7. E.B. Simonsen, M.B. Svendsen, A. Nørreslet, H.K.
Baldvinsson, T. Heilskov-Hansen, P.K. Larsen, T.
Alkjær, M. Henriksen: Walking on High Heels
Changes Muscle Activity and the Dynamics of
46